Elektrische Lenkung

Fachhochschule
Hannover
Elektrische Antriebe im Kfz
Ein Kolloquium zur elektrischen Antriebstechnik
Prof. Dr.-Ing. St. Beyer
31.10.2006
Agenda
Prof. Dr.-Ing. St. Beyer
FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
Elektrische Antriebe
im Kfz
Ein Kolloquium zur elektrischen Antriebstechnik
Anforderungen und Randbedingungen
technische Lösungen und aktuelle Produkte
zukünftige Entwicklungsziele, Chancen und Märkte
Koll EA
08:30 – 16:30 Uhr
FHH Hörsaal 100 (Neubau)
Ricklinger Stadtweg 120
30459 Hannover
Bey / 061031_Koll-EA_FHH-RBoschGmbH
Prof. Dr.-Ing. St. Beyer
FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
Uhrzeit
08:30 – 08:40 Uhr A: Begrüßung
St. Beyer
08:40 – 09:20 Uhr B: Gleichstrommaschinen für elektrische
D. Bühler
M.
Albrecht
Antriebssysteme im Kfz
09:20 – 10:00 Uhr C: Elektronisch kommutierte Antriebe
J. Halfmann
im Kfz
10:00 – 10:20 Uhr
Pause
10:20 – 10:40 Uhr D: Werkstoffe und Komponenten
D. Bühler
M.
Albrecht
elektrischen Antriebe
10:40 – 11:00 Uhr E: Entwicklungswerkzeuge für
J. Halfmann
elektrische Antriebe
11:00 – 11:20 Uhr F: Projektarbeit
T. Lott
11:20 – 12:00 Uhr G: Industrielle Fertigung
G. Zierer
elektrischer Antriebe
12:00 – 13:00 Uhr
Mittagspause
13:00 – 13:30 Uhr H: Elektrische Lenkung
St. Beyer
13:30 – 14:00 Uhr I: Antriebssystem Getriebesteller
T. Lott
14:00 – 14:40 Uhr J: Stand der Technik und EntwicklungsJ. Landrath
tendenzen bei Hybridfahrzeugen
14:40 – 15:20 Uhr K: Auslegung elektrischer Antriebe
A. Jacob
für Hybridfahrzeuge
15:30 – 16:30 Uhr L: Möglichkeit zu Gesprächen im kleinen Kreis
mit den Referenten zu Technik, Arbeitswelt
und mehr
Einführung Markt
zum Kolloquium der elektrischen Antriebstechnik „Elektrische Antriebe im Kfz“
an der FH Hannover am 31.10.2006
Prof. Dr. St. Beyer
Fachbereich Elektro- und Informationstechnik E
Fachgebiet Elektrische Antriebe und Automatisierungstechnik E2
Postadresse Postfach 920 261
D-30441 Hannover
Büro
Referenten
Dirk Bühler
Michael
Albrecht
Jürgen Halfmann
Thomas Lott
Gerald Zierer
Dr. Axel Jacob
Prof. Dr. Joachim Landrath
Prof. Dr. Stefan Beyer
Telefon
Fax
E-Mail
Bosch- EB/EDT6
Bosch- EB/EDT5
Bosch- GS-TC/ENM2
Bosch- BueP/TEF14
Bosch- GS/PJ-HT11
FHH/E2
FHH/E2
6
Elektrische Antriebe im Kfz
Einführung
Koll EA
FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
8
Kraftfahrzeugbestand und dessen Aufteilung am 01.01.2003
59,2 Mio. Kfz und Anhänger
Markt am Beispiel Deutschland
+ 2,2 %
59,2 … 60,5 Mio.
PKW 3,25 Mio.
+ 2,9 %
44,8 … 46,1 Mio.
Durchschnittsalter
aber verstärkte Kfz-Löschung
und Neu-Zulassungen
+ 0,4 %
PKW 7,2 Jahre
davon Zugmaschinen
seit 91 zunehmend 6,3 … 7,2 … 8
Fahrzeugdichte
PKW 540/1000 Einw.
(+ 1%)
LKW
Busse
Krafträder
+ 1,2 %, + 1,5 %
PKW
-1,9 %
44,8 Mio
Krafträder
3,7 Mio. Anzahl und
3.600 PKW mit Hybridantrieb
75,7 %
76,2 %
1,3 Mio. PKW
3,3 Mio. Neuzulassungen
z.B. 2004
PKW-Bestand in Deutschland
+ 7,6 %
47
+ 3,7 %
+ 0,5 %
- 4,7 %
46
45
44
Mio.
Stk.
LKW
2,6 Mio.
+4%
Prof. Dr.-Ing. St. Beyer
FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
Änderung gegenüber 01.01.2004
davon PKW
- 2,8 %
Sattel-Zugmaschinen
u. Trecker, sonstige
1,98 Mio.
Fachhochschule
Hannover
31.10.2006
Änderung gegenüber 01.01.2003
Kfz und Anhänger
Neuzulassungen 2002
+ 3,8 %
Elektrische Antriebe im Kfz
Einführung
Kfz-Bestand 01.01.2005
übrige
0,681 Mio.
Anhänger
5,3 Mio.
-2-
© Alle Rechte bei Prof. Dr.-Ing. St. Beyer, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht bei mir.
Prof. Dr.-Ing. St. Beyer
Markt am Beispiel Deutschland
Busse
0,084 Mio.
Bey / 061031_Koll-EA_FHH-RBoschGmbH
-1-
Fachhochschule
Hannover
31.10.2006
Raum 2858
2. Etage
Ricklinger Stadtweg 120
D-30459 Hannover
0511/9296-1289
0511/9296-1270
stefan.beyer @ fh-hannover.de
Beispiel
07223 / 82-2624
07223 / 82-3886
07223 / 82-2418
07223 / 82-1552
0711/811-49501
0511/9296-1280
0511/9296-1289
© Alle Rechte bei Prof. Dr.-Ing. St. Beyer, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht bei mir.
Koll EA
Fachhochschule
Hannover
31.10.2006
31.10.2006 FH-Hannover, Ricklinger Stadtweg 120
30459 Hannover
Pausen
10:00 – 10:20 Uhr
12:00 – 13:00 Uhr
31.10.2006
Elektrische Antriebe im Kfz
R. Bosch GmbH
Elektrische Antriebe im Kfz
Fachhochschule
Hannover
+ 10,5 %
43
Datenquelle: KBA-Jahresberichte
Koll EA
4,4 Mio. Stk.
42
41
40
1997
1999
2001
2003
2005
+ 1,0 %
prozentuale Änderung gegenüber Vorjahr
Datenquelle: Kraftfahrzeugbundesamt Jahresbericht 2003
Bey / 061031_Koll-EA_FHH-RBoschGmbH
© Alle Rechte bei Prof. Dr.-Ing. St. Beyer, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht bei mir.
Datenquelle: Kraftfahrzeugbundesamt, Jahresbericht 2005
-3-
Bey / 061031_Koll-EA_FHH-RBoschGmbH
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-4-
Koll EA
Elektrische Antriebe im Kfz
Einführung
Fachhochschule
Hannover
31.10.2006
Koll EA
Prof. Dr.-Ing. St. Beyer
FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
Wesentliche Treiber beim Kfz
PKW-Bestand in Deutschland
Individualverkehr mit
persönlicher Unabhängigkeit
47
Abfahrt, Fahrzeit, Weg, Mitfahrer, Raumklima,
Unterhaltung, Lasten-Transport
45
46
44
Mio.
Stk.
Sicherheit
Komfort
+ 10,5 %
43
4,4 Mio. Stk.
42
Fachhochschule
Hannover
31.10.2006
Prof. Dr.-Ing. St. Beyer
FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
Einteilung der PKW-Klassen
Datenquelle: KBA-Jahresberichte
Markt am Beispiel Deutschland
6
Elektrische Antriebe im Kfz
Einführung
Abbildungen mit
frei gewählten Beispielen
A: Mini Class (Minis)
D: Upper Medium Class (Mittelklasse)
G: Offroad, Pick-up, SUV (Geländew.)
z. B.: Ford Ka, Twingo, Mini Cooper,
Fiat Seicento, VW Lupo
z. B.: 3-er BMW, Peugeot 406, Audi A4,
Ford Galant, Opel Vectra, VW Passat
z. B.: Durango, Escape, Jeep Wrangler,
Land Cruiser 100, VW Touareg
B: Small Class (Kleinwagen)
E: Upper Class (Obere Mittelklasse)
H: VAN, Mini-VAN (Vans)
z. B.: Peugeot 106 u. 206, VW Polo,
Opel Corsa, Ford Fiesta, Audi A2
z. B.: 5-er BMW, Ford Avensis, Audi A6,
Opel Omega, Volvo 70
z. B.: Ford Galaxy, Estima,
Peugeot 807, VW Touran
C: Medium Class (Kompaktklasse)
F: Luxury Class (Oberklasse)
S: Sports Car Class (Cabriolets)
z. B.: Peugeot 306, VW Golf u. Bora, Audi A3
Opel Astra, Ford Escort u. Focus
z. B.: 7-er BMW, Audi A8,
Maybach, Rolls Royce
z. B.: Alfa Spider, Z3, TT Coupe,
Corvette, Lamborghini Barchetta
41
40
Statussymbol
1997
1999
2001
2003
2005
Sparsamkeit / Betriebskosten
Datenquelle: VDA, Auto-Jahresbericht 2006, EU-Kommission
sportliche Aspekte
Personenverkehr in der EU-15 bis 2010
7.000
Preis des Fahrzeuges
Luftverkehr
Eisenbahn
ÖPNV
PKW
6.000
5.000
4.000
3.000
Mrd.
Pers.-km
2.000
1.000
1.582
3.199
2.295
3.789
4.559
0
1970
*Prognose 2010
1980
1990
2000
2010*
Bey / 061031_Koll-EA_FHH-RBoschGmbH
Koll EA
12
Elektrische Antriebe im Kfz
Einführung
Koll EA
Prof. Dr.-Ing. St. Beyer
FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
5
ca. 50 %
Mini-Klasse, Kleinwagen, Kompaktklasse
ca. 46 %
ca. 25 %
Mittelklasse, Obere Mittelklasse, Oberklasse
ca. 24 %
ca. 25 %
Geländewagen, Cabrios, VANs, Utilities
ca. 29 %
Wohnmobil
sonstige
12.085 Stk.
+4%
4.475 Stk.
+ 42,5 %
Utilities
63.296 Stk.
+ 14,2 %
Van
183.920 Stk.
+ 12,6 %
Cabrio
Geländewg.
Oberkl.
17.818 Stk.
+ 15,4 %
1,3
80.889 Stk.
- 8,9 %
∼ 24 %
40 Mio.
30 Mio.
10 Mio.
Kompaktkl.
353.453 Stk.
- 6,5 %
25 elektrische Motoren
• 2013: 1.750 Mio. el. Motoren
• 2005: 1.500 Mio. el. Motoren
Deutschland
2003: 5,145 Mio.
2005: 5,350 Mio.
Europa
16,9
+ 1,2 %
Stückzahl
Änderung gegenüber Vorjahreszeitraum
Bey / 061031_Koll-EA_FHH-RBoschGmbH
© Alle Rechte bei Prof. Dr.-Ing. St. Beyer, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht bei mir.
Japan
NAFTA
China
Mercosur
0
Neuzulassungen
Jan. - Mai 2006 in %
Mittelkl.
238.240 Stk.
Stück
Kleinwg.
25,0
5,7
Obere Mittelkl.
• mittlerer Kfz-Ausstattungsgrad
Welt
20 Mio.
∼ 46 %
6,3
88.712 Stk.
+ 16 %
Annahme: geringere konstante Zunahme
50 Mio.
239.445 Stk.
+8%
∼ 29 %
Ist-Stand
Vereinfachte Annahme:
70 Mio.
63.651 Stk.
+ 40,1 %
17,0
Prof. Dr.-Ing. St. Beyer
FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
80 Mio.
Mini
4,5
Fachhochschule
Hannover
31.10.2006
Markt
60 Mio.
0,3
13,0
4,7
66.134 Stk.
- 15 %
0,9
4,5
Elektrische Antriebe im Kfz
Einführung
Weltweite PKW-Produktion
Jan. - Mai 2006
Kaufverhalten in 2005 bei fabrikneuen PKW
-6-
© Alle Rechte bei Prof. Dr.-Ing. St. Beyer, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht bei mir.
Fachhochschule
Hannover
31.10.2006
Markt am Beispiel Deutschland
Datenquelle: Kraftfahrzeugbundesamt
Jahresbericht 2005
Statistische Mitteilungen Mai 2006
Bey / 061031_Koll-EA_FHH-RBoschGmbH
-5-
© Alle Rechte bei Prof. Dr.-Ing. St. Beyer, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht bei mir.
-7-
2003
2005
2007
2009
2011
2013
Jahr
Datenquelle bis Jahr 2005: VDA, International Auto Statistics 2006
Bey / 061031_Koll-EA_FHH-RBoschGmbH
© Alle Rechte bei Prof. Dr.-Ing. St. Beyer, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht bei mir.
-8-
Koll EA
Elektrische Antriebe im Kfz
Einführung
Fachhochschule
Hannover
31.10.2006
Koll EA
Fachhochschule
Hannover
31.10.2006
Prof. Dr.-Ing. St. Beyer
Prof. Dr.-Ing. St. Beyer
FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
Elektrische Lenkung
Markt
2
Elektrische Antriebe im Kfz
Produktion Kleinmotoren in Deutschland
200.000.000
180.000.000
Ein Beitrag zum Antriebskolloquium „Elektrische Antriebe im Kfz“
an der FH Hannover am 31.10.2006
2.431 Mio €
Kleinmotoren gesamt
160.000.000
Prof. Dr. St. Beyer
3.000.000
1.275 Mio €
100.000.000
2.500.000
DC: 37,5 … 750 W
80.000.000
DC und AC: < 37,5 W
40.000.000
Universalmotor > 37,5 W
1.500.000
1.000.000
AC: > 750 W
20.000.000
AC: 37,5 … 750 W
21 Mio €
0
1999
2000
2001
2002
2003
2004
Büro
500.000
221 Mio €
0
1998
Fachbereich Elektro- und Informationstechnik E
Fachgebiet Elektrische Antriebe und Automatisierungstechnik E2
Postadresse Postfach 920 261
D-30441 Hannover
2.000.000
797 Mio €
60.000.000
117 Mio €
nsk-Internet
120.000.000
Stückzahl
Stückzahl
140.000.000
2005
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
Jahr
Telefon
Fax
E-Mail
Jahr
Gesamtproduktion aller elektrische Antriebe 2004:
Raum 2858
2. Etage
Ricklinger Stadtweg 120
D-30459 Hannover
0511/9296-1289
0511/9296-1270
stefan.beyer @ fh-hannover.de
6.505 Mio €
Beispiel
(Motoren, Stromrichter, Zubehör)
ZEVI-2005
Bey / 061031_Koll-EA_FHH-RBoschGmbH
Koll EA
Einführung Antriebe
Elektrische
in Projekte
im Kfz
Inhaltsverzeichnis
31.10.2006
Lenk-Anlagen
1.1 Nutzen einer Lenkung
1.2 Lenk-Anlagen
Koll EA
Prof. Dr.-Ing. St. Beyer
FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
4
Quellenangaben
bei den jeweiligen
Darstellungen
Elektrische Lenkung
Antriebe im Kfz
1 Lenk-Anlagen
Fachhochschule
Hannover
31.10.2006
Prof. Dr.-Ing. St. Beyer
FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
1.1 Nutzen einer Lenkung
ohne viele Worte …
Haben wir etwas
bei der Entwicklung
vergessen?
2 Lenk-Systeme
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
- 10 -
© Alle Rechte bei Prof. Dr.-Ing. St. Beyer, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht bei mir.
Fachhochschule
Hannover
Inhaltsverzeichnis
1
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-9-
© Alle Rechte bei Prof. Dr.-Ing. St. Beyer, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht bei mir.
Hilfskraftanlagen auf hydraulischer Basis
Beispiel für den Aufbau einer elektrischen Hilfskraftanlage
Lenkkräfte und elektrische Hilfskraftanlagen ohne Hydraulik
Besonderheiten und Vorzüge der elektrischen Hilfskraftanlagen
Zusätzliche Funktionalitäten
Fahren „ohne“ mechanische Verbindungen
3 Lenksystem EPS
3.1
3.2
3.3
3.4
Grundstruktur eines elektrischen Lenksystems
Typische Anforderungen Stellmotor
Abschätzung Stellmotoren
Typische Anforderungen Stellglied
lenken allgemein:
4 Beispiel EPS-System mit ASM-Antrieb
• einem Fahrzeug
eine bestimmte Richtung geben
4.1 Antriebsmerkmale Stellmotor
4.2 Antriebsmerkmale Stellglied
Lenkung, Lenk-Anlage allgemein:
5 Betätigungsfelder für Ingenieure
Bey / 061031_Koll-EA_FHH-RBoschGmbH
© Alle Rechte bei Prof. Dr.-Ing. St. Beyer, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht bei mir.
• alle Baugruppen u. Komponenten,
die für das Lenken erforderlich sind
- 11 -
Bey / 061031_Koll-EA_FHH-RBoschGmbH
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- 12 -
Koll EA
11
Elektrische Lenkung
Antriebe im Kfz
1 Lenk-Anlagen
Fachhochschule
Hannover
31.10.2006
Koll EA
Prof. Dr.-Ing. St. Beyer
FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
1.2 Lenk-Anlagen
Fachhochschule
Hannover
31.10.2006
Prof. Dr.-Ing. St. Beyer
FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
2 Lenk-Systeme
1
mit aktivem Fahrzeugführer
mit / ohne Muskelkraft des Fahrerzeugführers
§38StVZO Muskelkraftanlagen
Lenkkraft wird vom Fahrer ausschließlich mit Muskelkraft über
Lenkrad / Lenksäule / Lenkgetriebe aufgebracht.
Lenkrad
Lenksäule
Elektrische Lenkung
Antriebe im Kfz
2 Lenk-Systeme
Lenksensorik
Lenkspindel
Lenkgetriebe
mit Torsionsstab
Lenkstock
Hilfskraftanlage
Hydraulische Lenkung
HSL oder HPS
§38StVZO Hilfskraftanlagen
Lenkkraft wird mit Muskelkraft des
Fahrers und von einer vorhandenen
Energiequelle gemeinsam aufgebracht.
Motor-Stellglied
Elektronik
Elektro-hydraulische Lenkung
EHSL oder EHPS
Lenkspindel
mit Getriebe
• mechanische Verbindungen
• Kraftunterstützung
des Fahrerzeugführers
• elektrische Verbindungen
• bedarfsgerechte Kraftunterstützung
• Assistenzsysteme
Elektrische Servolenkung
ESL oder EPS
• mechanische Verbindungen
• bedarfsgerechte Kraftunterstützung
• Assistenzsysteme
Zahnstange
mit Übersetzung
E-Motor
Aktive Lenkung
Steer-by-Wire
Drive-by-Wire
…
Quelle: Prospekt ZF-Servolectric Ausführungsbeispiel „Pinion“
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14
Elektrische Lenkung
Antriebe im Kfz
2 Lenk-Systeme
Koll EA
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FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
2.1 Hilfskraftanlagen auf hydraulischer Basis
Konventionelle Servo-Lenkung
ESL • Hydrauliksystem erzeugt
oder
hohe Lenkkräfte
HPS
• hohe Leistungsdichte
Hydraulikkräfte / Bauvolumen
• Hydraulik-Öl und Schläuche
nasses und verteiltes System
+
-
Hydraulikpumpe
erzeugt nur bedarfsabhängigen Hydraulikdruck
höherer Wirkungsgrad, Kraftstoffeinsparung
Bordnetz begrenzt Leistung
• Integriertes Pumpensystem
1 Einheit: elektr. Antrieb, Pumpe, Ölreservoir
+
-
+
-
drehzahlabhängige Förderleistung
übertragbare Leistung durch Keilriemen
Wirkungsgrad
• erfahrene Funktionssicherheit
+
+
• keine „Zusatzfunktionen“
-
• gutes Preis-Leistungsverhältnis
Fachhochschule
Hannover
31.10.2006
Prof. Dr.-Ing. St. Beyer
FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
2.2 Beispiel für den Aufbau einer elektrischen Hilfskraftanlage
Lenksystem mit E-Motor Typ „Pinion“ (Ritzel) „Double-Pinion“
Elektro-hydraulische Hilfskraftanlage
+
Elektrische Lenkung
Antriebe im Kfz
2 Lenk-Systeme
Quelle: ZFLS-Prospekt G7802 P-MBA 2/98 d
Fahrzeuge der
Mittelklasse
z.B. für
• Peugeot 306
• VW Golf u. Bora
• Audi A3
• Opel Astra
• Ford Escort
• Ford Focus
Achslast
bis ca. 800 kg
Zahnstangenkräfte < 9000 N
t
en r
om oto
m
eh E-M
Dr
• Öl-Pumpe durch Kurbelwelle
des V-Motor drehzahlabhängig
über Keilriemen ständig
angetrieben
6
EHPS • Elektrischer Antrieb für
- 14 -
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31.10.2006
ZF-Lenksysteme-Internet
Koll EA
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- 13 -
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Drehmoment
des Fahrers
EHPS
• Parametrierbare Lenkung
einstellbare variable Pumpenleistung
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+
- 15 -
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- 16 -
Fachhochschule
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31.10.2006
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FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
2.3 Lenkkräfte und elektrische Hilfskraftanlagen ohne Hydraulik
12.000
FZahnstange
N
„Rack“ oder
„APA“-Actuator
• Lenkachslast
• Zahnstangenkraft
• Einbauraum
• Bordnetzleistung
10.500
9.000
7.500
6.000
2.4 Besonderheiten und Vorzüge der elektrischen Hilfskraftanlagen
höhere Herstellkosten
-
Sicherheitsbedarf bis
hin zur Redundanz
-
trotzdem geht die Entwicklung weiter
Vorzüge für Endverbraucher
ca. 1.200 kg
Energieverbrauch nur bei Lenk-Bedarf
Oberklasse
„Pinion“- oder
„DoublePinion“Actuator
Obere
Mittelklasse
• Reduzierung Benzinverbrauch
• Bordnetzleistung zwischenzeitlich für
anderes zur Verfügung
zusätzliche Funktionalitäten
ca. 800 / 950 kg
• Komfort
• Sicherheit für Mensch und Fahrzeug
Mittelklasse
„Column“Actuator
Untere
Mittelklasse
Kleinwagen
Mini
+
7
31.10.2006
•
•
•
•
Koll EA
Prof. Dr.-Ing. St. Beyer
FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
6
Senkung Benzinverbrauch
Elektrische Lenkung
Antriebe im Kfz
2 Lenk-Systeme
31.10.2006
Fachhochschule
Hannover
Prof. Dr.-Ing. St. Beyer
2.5 Zusätzliche Funktionalitäten
3 Beispiele
Einpark-Assistenz (Assistenz: Fahrer kann in Lenkung eingreifen)
Elektrische Lenkung bei Lenkanforderungen → bedarfsorientierter Verbrauch
→ 80 … 85 % weniger Energie
Fahrer wählt Parkplatz aus und legt Rückwärtsgang ein
Sensoren vermessen Parklücke, lenken (und fahren)
erfolgt automatisch
VDI Baden-Baden 10/05
typisch sind bis zu 85 % Geradeausfahrt → keine Lenkleistung erforderlich
Autonomes Fahren
Messungen ergaben bis zu 1 Liter Kraftstoff auf 400 km gespart
z.B. bei stockendem Verkehr
bei zukünftig erwarteten 2 Mio. zugelassenen Fahrzeugen mit elektrischer Lenkung
Einsparung bis zu 50 Mio. Liter Kraftstoff/Jahr
bei ca. 10.000 km Fahrleistung /Jahr
Gas geben, bremsen und lenken
erfolgt durch Automatik
Einpark-Assistenz
Abstandsregelung
Aktive Fahrsicherheit
ThyssenKrupp 2004
bis zu 0,3 Liter pro 100 km
z.B. bei Schnee und Eis oder
unfallkritischen Situationen
Senkung zwischen 3 … 5 % bei langer Geradeausfahrt
Stabilisierung in Grenzsituationen
Überwachung durch Sensoren
Vergleich mit Fahrerwunsch und
Fahrzeugverhalten
ZF-Lenksysteme 2005
80 % weniger Energie gegenüber herkömmlichen hydraulischen Servolenkungen
Einsparung 0,25 Liter pro 100 km
© Alle Rechte bei Prof. Dr.-Ing. St. Beyer, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht bei mir.
- 18 -
FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
Hydraulische Lenkung permanent in Betrieb → ständiger Energieverbrauch
Bey / 061031_Koll-EA_FHH-RBoschGmbH
+
© Alle Rechte bei Prof. Dr.-Ing. St. Beyer, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht bei mir.
Fachhochschule
Hannover
2.4 Besonderheiten und Vorzüge der elektrischen Hilfskraftanlagen
+
Pumpe, Ölbehälter, Hydraulikleitungen
Öl und Öleinfüllung
Ölstands- und Dichtigkeitskontrollen
weniger zu montierende Teile
Bey / 061031_Koll-EA_FHH-RBoschGmbH
- 17 -
© Alle Rechte bei Prof. Dr.-Ing. St. Beyer, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht bei mir.
Elektrische Lenkung
Antriebe im Kfz
2 Lenk-Systeme
Entfall Hydraulikkomponenten
• ein Zulieferteil
• Montage komplettes System
ca. 650 kg
Bey / 061031_Koll-EA_FHH-RBoschGmbH
+
• Position unabhängig von Verbrennungsmotor
• neuer Gestaltungsraum für „was anderes“
Montagevorteil
Quelle: ZFLS-Prospekt G7802 P-MBA 2/98 d
Koll EA
+
Vorzüge für Fahrzeughersteller
geringerer Platzbedarf im Motorraum
mot 2/98
13.500
FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
BOSCH
Geländewagen
Transporter
Prof. Dr.-Ing. St. Beyer
Besonderheiten
Ausführungsbeispiele
je nach Fahrzeugklasse und -typ
15.000
Fachhochschule
Hannover
31.10.2006
- 19 -
BOSCH
Lenkkräfte (Orientierungswerte)
12
Elektrische Lenkung
Antriebe im Kfz
2 Lenk-Systeme
BOSCH
9
Koll EA
BOSCH-Internet
Elektrische Lenkung
Antriebe im Kfz
2 Lenk-Systeme
BOSCH
Koll EA
Unfallkritische Situation
Aktive Fahrsicherheit
Bey / 061031_Koll-EA_FHH-RBoschGmbH
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Bildquellen: Internet und mot 2/98
- 20 -
Koll EA
Elektrische Lenkung
Antriebe im Kfz
2 Lenk-Systeme
Fachhochschule
Hannover
31.10.2006
Prof. Dr.-Ing. St. Beyer
FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
2.6 Fahren „ohne“ mechanische Verbindung
Zukunftsvision Drive-by-Wire
Cockpit ohne Lenkrad und Pedale
V-MotorElektronik
Side-Stick
Sensorik
Elektrische Lenkung
Antriebe im Kfz
3 Lenksystem EPS
Bordnetz
5
Elektrische Lenkung
Antriebe im Kfz
3 Lenksystem EPS
IM
G
Stellmotor
3∼
M
UZk
Prof. Dr.-Ing. St. Beyer
FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
Drehzahl-Drehmoment-Bereich
Eckdaten Motorauslegung
• Lenkmoment
• Lenkwinkel
• -geschwindikeit
12
ϑM ≈ 80°C
1.200 W
10
(42 V)
8
MW
ϑ
Nm
POS
Fahrzeugmanagement
Kommunikation/Signale:
• Zündschlüssel
• Batteriezustand
• V-Motor-Drehzahl
• Anzeigegeräte/Instrumententafel
• Sicherheit
Übergeordnetes Steuergerät
6
750 W
Lenksensoren
0
0
1000
nW
• Fahrzeuggeschwindigkeit
• Lenkwinkelsensor Rad
© Alle Rechte bei Prof. Dr.-Ing. St. Beyer, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht bei mir.
2000
1/min
- 23 -
3000
Bordnetzspannung
Bauvolumen
Masse
Bordnetzstrom
Motorstrangstrom
Momentenwelligkeit
UB
VM
mM
IDC
îmax
∆MW/M
9 … 13 V
< 1 Liter
< 4 kg
< 100 A
< 140 A
<2…4%
Lebensdauer
6000 … 8000 h 12 … 16 a
Schutzart
IP6K9K …
ca. 300 Tkm
ohne Fremdkühlung
Umgebung
-40°C … 80°C
Feuchte, Salznebel, …
… 125°C
14 V
4
2
Control Unit
Bey / 061031_Koll-EA_FHH-RBoschGmbH
Fachhochschule
Hannover
31.10.2006
3.2 Typische Anforderungen
Motor-/ElektronikSensoren
Stellglied
- 22 -
Stellmotor
Last
IDC
UB
Koll EA
FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
3.1 Grundstruktur eines elektrischen Lenksystems
Systembeispiele
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Prof. Dr.-Ing. St. Beyer
Blockschaltbild
Elektrische Servolenkung
ESL oder EPS
Bey / 061031_Koll-EA_FHH-RBoschGmbH
Fachhochschule
Hannover
31.10.2006
• elektrische Verbindungen
• bedarfsgerechte Kraftunterstützung
• Assistenzsysteme
• mechanische Verbindungen
• bedarfsgerechte Kraftunterstützung
• Assistenzsysteme
- 21 -
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9
• mechanische Verbindungen
• Kraftunterstützung
des Fahrerzeugführers
DaimlerChrysler
Steuergeräte u. Stellglieder
Bey / 061031_Koll-EA_FHH-RBoschGmbH
Koll EA
Aktive Lenkung
Steer-by-Wire
Drive-by-Wire
…
Elektro-hydraulische Lenkung
EHSL oder EHPS
Fahrdynamikregler
Lenkung
• realisierte Fahrerassistenzsysteme
„lenken, bremsen, beschleunigen, schalten“
• Hochdynamische Stellglieder, präzise Sensorik,
Hochgeschwindigkeitsnetzwerke,
Bremsen
Radarsysteme, Bildverarbeitung, …
mit Hydraulik
FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
Drive-by-Wire
mechanische Trennung Bedien- und Stellelemente
verringertes Verletzungsrisiko, neuartige „Sicherheitszellen“
mehr Bewegungsfreiheit, bequeme entlastete Körperhaltung
neue Fahrzeugkonstruktionen, ungetrübte Instrumentensicht
keine Schwingungsübertragung ins Cockpit
Voraussetzung
Prof. Dr.-Ing. St. Beyer
Hydraulische Lenkung
HSL oder HPS
mehr Komfort, erhöhte Sicherheit
Fachhochschule
Hannover
31.10.2006
Nähere Betrachtung der elektrischen Hilfskraftanlage EPS
z.B. Side-Stick-Steuerung für jede Fahrzeugbewegung
• Hebel zurück/vor für Bremsen/Geschwindigkeit
• Hebel links/rechts für Lenkung (Rückmeldung/Widerstand)
• Hebeltasten für weitere Funktionen
•
•
•
•
•
Elektrische Lenkung
Antriebe im Kfz
3 Lenksystem EPS
3 Lenksystem EPS
3
DaimlerChrysler
4
Koll EA
mehrere Minuten
140 °C ohne Leistung …
4000
Welche Motorkonzepte
kommen in Frage?
Bey / 061031_Koll-EA_FHH-RBoschGmbH
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- 24 -
Elektrische Lenkung
Antriebe im Kfz
3 Lenksystem EPS
31.10.2006
Fachhochschule
Hannover
Koll EA
Prof. Dr.-Ing. St. Beyer
FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
3.3 Abschätzung Stellmotoren
Prof. Dr.-Ing. St. Beyer
FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
3.4 Typische Anforderungen
7
Maschinenkonzept
Stellglied (Elektronik)
gleicher Bauvolumen-Durchmesser
Wandlung Gleichstromenergie in
mehrphasige frequenzvariable Wechselstromenergie
Beispiele für einen
Maschinenaufbau
Bosch
Innenläufer-Maschinen
PSM-SE
PSM-Ferrit
SR
ASM
Elektronischer Kommutator
Hochdynamischer 4Q-Betrieb mit bedarfsgerechtem Drehmoment und Drehrichtung
• Signalerfassung (interne Sensorik: Drehmoment, Drehzahl, Strangstrom, Temperatur)
• Signalauswertung (inkl. externe Sensorik: Zündschlüssel, Bordnetz, Fahr- und Lenkgeschwindigkeit, …)
• Steuersignalerzeugung für die Leistungshalbleiter-Schalter
DC-Ferrit
• gestanztes
Ankerblechpaket
• Ankerwicklung
mit KommutatorBürstensystem
• gezogener Poltopf,
kostengünstige
großvolumige
Ferrit-Magnete
• gestanzte
Blechpakete
• Stator-Einzelzahn-Wicklung
• BlechpaketRotor
Bosch
• gestanzte
Blechpakete
• Stator-Stab- od.
Einziehwicklung
• DruckgußAlu-Rotorkäfig
Hersteller
PSM-Rotor
Bordnetzspannung
Weitere Anforderungen
Sicherheit / Überwachung / Zuverlässigkeit Bordnetzstrom
Motorstrangstrom
Momentenwelligkeit
Optimierte Bauraumanpassung
Geometrie, Volumen, Schüttelbelastung,
Umgebungstemperatur, Entwärmung, Lebensdauer
Lebensdauer
Schutzart
ohne Fremdkühlung
Umgebung
Wegbau-, Anbau- oder
integrierte Elektronik für
eine optimale Systemlösung
Bey / 061031_Koll-EA_FHH-RBoschGmbH
Elektrische Lenkung
Antriebe im Kfz
4 Beispiel EPS-System mit ASM-Antrieb
31.10.2006
FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
7
VW-Internet
Einbauort Nähe Abgasstrang,
angepasste Bauraumgeometrie
Stellmotor/Elektronik/Sensorik
über Schneckengetriebe/Ritzel
an Lenk-Zahnstange
optimiertes Ritzel für
höhere Zahnstangenkräfte
Großserien-Konzept
Koll EA
Prof. Dr.-Ing. St. Beyer
Elektro-mechanische Servolenkung EPS-“Double-Pinion“
Lenkritzel
Bildquelle:
Prospekt ZF-Servolectric 06/01
6000 … 8000 h 12 … 16 a
IP6K9K …
ca. 300Tkm
-40°C … 80°C
… 125°C
mehrere Minuten
140 °C ohne Leistung …
Feuchte, Salznebel, ….
- 26 -
Elektrische Lenkung
Antriebe im Kfz
4 Beispiel EPS-System mit ASM-Antrieb
Fachhochschule
Hannover
31.10.2006
Prof. Dr.-Ing. St. Beyer
FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
4.1 Antriebsmerkmale
EPS-“Double-Pinion“
Asynchronmotor
Erfassung Lenkwunsch
des Fahrers
Interne
Signale:
• ElektronikTemperatur
• Motor-Drehzahl
• DrehmomentSensor
9 … 13 V
< 100 A
< 140 A
<2…4%
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Fachhochschule
Hannover
4 Beispiel EPS-System mit ASM-Antrieb
UB
IDC
îmax
∆MW/M
Bey / 061031_Koll-EA_FHH-RBoschGmbH
- 25 -
© Alle Rechte bei Prof. Dr.-Ing. St. Beyer, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht bei mir.
13
UK 1,2,3
UZk
Strom- /Drehmomentregelung und überlagerte Drehzahlregelung mit Soll-Ist-Vergleich
• gestanzte
• gestanzte
Blechpakete
Blechpakete
• Stator-Einzel• Stator-Einzelzahn-Wicklung
zahn-Wicklung
• kostenintensive • kostengünstigere
SE-Magnete
Ferrit-Magnete
Koll EA
Fachhochschule
Hannover
31.10.2006
Bereitstellung der
fahrgeschwindigkeitsabhängigen
Lenkunterstützung
Erfassung einer
Lenkbeeinträchtigung
über
Stromüberwachung
Externe Signale:
• Zündschlüssel
• V-Motor-Drehzahl
• Kfz-Geschwindigkeit
• Stromversorgung
• Diagnosefähigkeit
Bey / 061031_Koll-EA_FHH-RBoschGmbH
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- 27 -
Systemgerecht
+ geringe Drehmomentwelligkeit
+ geringe Geräuschentwicklung
Nachteile
- Kraftdichte
- Bauraum
- Wirkungsgrad
- Gewicht
Robust
+ kein Magnetmaterial
+ einfacher Aufbau
+ einfaches Handling / Montage
+ hohe Lebensdauer
+ schmutzunempfindlich
Technische Eignung / Anforderungen z.Zt.
bis „Medium Class“-Fahrzeug Golf
Leistungsfähig
o gute Dynamik
+ großer Drehzahlbereich
+ großer Temperaturbereich
bei höheren Anforderungen
• mehr Bauvolumen
• oder PSM-Konzept mit
höherer Leistungsdichte
Hersteller Bosch
Bey / 061031_Koll-EA_FHH-RBoschGmbH
© Alle Rechte bei Prof. Dr.-Ing. St. Beyer, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht bei mir.
Bosch-Internet
7
Elektrische Lenkung
Antriebe im Kfz
3 Lenksystem EPS
Bosch-Internet
Koll EA
- 28 -
Koll EA
Elektrische Lenkung
Antriebe im Kfz
4 Beispiel EPS-System mit ASM-Antrieb
Koll EA
Prof. Dr.-Ing. St. Beyer
FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
4.2 Antriebsmerkmale
7
Fachhochschule
Hannover
31.10.2006
T1
Stellglied (Steuergerät)
mögl. Anpassung Stromform an induzierte Spg.
+ maximales Moment
+ minimale Drehmoment-Welligkeit
+ hoher Wirkungsgrad
T5
T3
CZk
UK,V
T4
FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
EPS-“Double-Pinion“
Mikrohybrid-Technologie
U
V
UK,W
T2
Prof. Dr.-Ing. St. Beyer
Stellglied (Steuergerät)
UK,U
UZk
Stecker
W
T6
Bordnetz und
externe Signale
Bordnetz +/-
Al-Träger
Gel
Befestigung DBC´s, µ-Hybrid
und Wärmeabfuhr
Elektronikschutz
und Wärmeabfuhr
-
Ist-Strommessung und Vergleich mit Soll-Wert
Strom (Drehmomentregelung)
U-Zwk
WR
µ-Hybrid
Motor
• Signalverarbeitung
• Steuersignalerzeugung
über Brückentreiber
• Regelung/Berechnung
über fahrgeschwindigkeitsabhängiges
Drehmoment-Kennfeld
Berechnung betriebsabhängiger Steuersignale über µC und über abgelegte
Lenkmoment-Kennfelder
wechselseitiges Takten d.
Zwischenkreisspg. UZk
für einen sinusförmigen
Maschinenstrom (n-abhängig)
uK,U
Mittelwert UK,U,7
UZk
Zwischenkreiskondensator
als Puffer (Entkopplung)
Energiezwischenspeicher
0
t
UK,U,15 = 0,1 * UZk
21
Elektrische Lenkung
Antriebe im Kfz
31.10.2006
Anschlüsse
zu Elko´s, Filter, Stecker, …
(Stanzgitter)
Hersteller ZFLS/Bosch
- 30 -
© Alle Rechte bei Prof. Dr.-Ing. St. Beyer, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht bei mir.
Fachhochschule
Hannover
Koll EA
Elektrische Lenkung
Antriebe im Kfz
31.10.2006
Fachhochschule
Hannover
Prof. Dr.-Ing. St. Beyer
Prof. Dr.-Ing. St. Beyer
FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
FG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik
5 Betätigungsfelder für Ingenieure
Elektrische Lenkung
2 FET mit Stromshunt
in DBC-Technologie
Bey / 061031_Koll-EA_FHH-RBoschGmbH
- 29 -
© Alle Rechte bei Prof. Dr.-Ing. St. Beyer, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht bei mir.
Koll EA
Spannungsstabilisierung, Puffer
und Filter zur Minderung des
Einflusses des hochfrequenten
steilflankigen WR-Schaltens
auf das Bordnetz
90%
Bey / 061031_Koll-EA_FHH-RBoschGmbH
WR-Halbbrücke
Zwk-Elko´s und Filter
10%
Sinusförmige Klemmenspannung UK aus
einer Rechteckspannung konstanter
Frequenz mit variablem Tastverhältnis
Fachhochschule
Hannover
31.10.2006
4.2 Antriebsmerkmale
12
+
Elektrische Lenkung
Antriebe im Kfz
4 Beispiel EPS-System mit ASM-Antrieb
2
wesentliche Anforderungen
Maschinenentwurf und -auslegung
Ingenieurausbildung
Elektronikentwurf und -auslegung
Aus- und laufende Weiterbildung,
eventuell Experte
Antriebssimulation /
Regelungstechnik
Softwareentwicklung /
Datenverarbeitung
Meß- und Prüftechnik / Labor
Konstruktion Elektro-Maschinenbau
Allzeit gute Fahrt!
fachliches Interesse und
persönliches Engagement
Bereitschaft und Fähigkeit zur Teamarbeit
…..
Elektronikkonstruktion
Fertigungstechnik
Technischer Material-Einkauf
Vertrieb und Kundenbetreuung
Führungsfunktion
Projektleitung
oder Linie
Systemingenieur Fahrzeug/Lenkung
meist beim Fahrzeughersteller / Kunde
Projektingenieur elektrische Antriebe
beim Fahrzeughersteller / Kunde
Bey / 061031_Koll-EA_FHH-RBoschGmbH
© Alle Rechte bei Prof. Dr.-Ing. St. Beyer, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht bei mir.
- 31 -
Bey / 061031_Koll-EA_FHH-RBoschGmbH
© Alle Rechte bei Prof. Dr.-Ing. St. Beyer, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht bei mir.
- 32 -